삼투압력

Osmotic power
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시리즈의 일부
재생 에너지
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삼투압력, 염분구배력 또는 청색에너지는 바닷물과 강물의 염분농도 차이에서 얻을 수 있는 에너지이다.이를 위한 두 가지 실용적인 방법은 역전기투석(RED)과 압력지체삼투석(PRO)입니다.두 과정 모두 막에 의한 삼투에 의존합니다.주요 폐기물 생산물은 기수이다.이 부산물은 이용되고 있는 자연의 힘에 의한 결과입니다. 즉, 바닷물로 구성된 바다로 민물이 흘러들어가는 것입니다.

1954년 패틀은[1] 강이 바다와 섞일 때 사용되지 않은 동력원이 있다는 것을 제안했습니다. 하지만 70년대 중반에 이르러서야 Loeb이 선택적으로 투과할 수 있는 막을 사용하여 이를 이용하는 실용적인 방법이 소개되었습니다.

압력지체 삼투압에 의한 발전방법은 교수에 의해 발명되었다.1973년 이스라엘 [3]비에르셰바에 있는 니게브 벤구리온 대학에서 시드니 뢰브.그 생각이 교수님에게 떠올랐다.롭은 부분적으로 요르단강이 사해로 흘러드는 것을 관찰했다.그는 이 자연 혼합 과정에서 낭비될 두 수용액(요르단강은 한 쪽이고 사해는 다른 쪽)[4]의 혼합 에너지를 수확하기를 원했다.1977년 교수.Loeb은 역전기투석식 [5]열엔진에 의해 전력을 생산하는 방법을 발명했다.

그 기술은 실험실 환경에서 확인되었습니다.네덜란드(RED)와 노르웨이(PRO)에서 상업용으로 개발되고 있습니다.막의 비용이 걸림돌이 되어 왔다.전기적으로 변형된 폴리에틸렌 플라스틱을 기반으로 한 새로운 저비용 막은 잠재적인 상업적 [6]사용에 적합하게 만들었습니다.다른 방법이 제안되어 현재 개발 중입니다.이 중 전기 이중층 캐패시터[7] 기술에 기초한 방법과 증기압차에 [8]기초한 방법이 있다.

염분 구배력의 기초

압력성 삼투압

염분 구배 전력은 자연발생 과정을 이용하여 재생 가능하고 지속 가능한 전력을 생산하는 특정 재생 에너지 대안이다.이러한 관행은 이산화탄소2(CO) 배출을 오염시키거나 배출하지 않는다(증기 압력 방법은 CO를2 포함한 용해된 공기를 저압으로 방출한다. 이러한 응축 불가능한 가스는 물론 재용해가 가능하지만 에너지 패널티를 수반한다).또한 Jones와 Finley가 "염분 구배 출력의 최근 개발" 기사에서 언급한 바와 같이 기본적으로 연료비는 없습니다.

염도 구배 에너지는 "담수와 바닷물의 [9]삼투압 차이" 자원을 사용하는 것에 기초한다.염분 구배 기술을 사용하도록 제안된 모든 에너지는 염분으로부터 물을 분리하기 위해 증발에 의존합니다.삼투압은 "농축 및 희석된 소금 용액의 화학적 잠재력"[10]이다.높은 삼투압과 낮은 삼투압의 관계를 볼 때 염분 농도가 높은 용액일수록 압력이 높다.

다른 염도 구배 발전도 존재하지만 가장 일반적으로 논의되는 것 중 하나는 압력 저장 삼투압(PRO)입니다.PRO 내에서 바닷물은 압력이 담수압과 해수압의 차이보다 낮은 압력실로 펌핑됩니다.담수는 반투과성 막으로 이동하며 챔버 내의 부피를 증가시킨다.챔버 내의 압력이 보상되면 터빈이 회전하여 전기를 생성합니다.Braun의 글에서 그는 이 과정이 좀 더 세분화된 방식으로 이해하기 쉽다고 말한다.A는 소금물, B는 담수라는 두 가지 용액을 막으로 분리한다.그는 "물 분자만이 반투과성 막을 통과할 수 있다.양액 간의 삼투압차에 의해 용액 B로부터의 물이 막내로 확산되어 용액 A를 희석한다.[11]압력은 터빈을 구동하고 전기 에너지를 생산하는 발전기에 전력을 공급합니다.삼투압은 네덜란드에서 바다로 민물을 "펌프"하는데 직접적으로 사용될 수 있다.이것은 현재 전기 펌프를 사용하여 수행되고 있습니다.

효율성.

2012년 예일 대학의 효율성 연구에 따르면 해수 흡입 용액과 하천 급수 용액을 사용한 정압 PRO에서 가장 높은 추출 가능 작업은 0.75kWh/m3(2.7kJ/l)이고 혼합의 자유 에너지는 0.81kWh/m3(2.9kJ/l)로 열역학 추출 효율은 91.0%[12]입니다.

방법들

염도 구배 전력의 역학과 개념은 아직 연구되고 있지만, 전력원은 여러 다른 장소에서 구현되어 있다.이들 중 대부분은 실험적인 것이지만 지금까지는 대부분 성공적이었다.염분 구배로부터 힘을 얻는 개념이나 프로세스가 몇 가지 있기 때문에, 이 힘을 이용하는 다양한 기업도 다양한 방법으로 그것을 실시해 왔다.

압력성 삼투압

심플한 PRO 발전 방식
노르웨이 토프테(Hurum)의 삼투압 전력 프로토타입

염도 구배 에너지를 이용하는 방법 중 하나는 압력퇴적 [13]삼투압이라고 불린다.이 방법에서는 바닷물을 식염수와 담수의 압력차이보다 낮은 압력실로 펌핑한다.또한 담수는 막을 통해 압력 챔버로 펌핑되어 챔버의 부피와 압력을 증가시킵니다.압력차가 보정됨에 따라 터빈이 회전하여 운동에너지를 제공합니다.이 방법은 노르웨이 전력회사 Statkraft에 의해 특별히 연구되고 있으며,[14] 노르웨이에서는 이 프로세스에서 최대 2.85 GW를 이용할 수 있을 것으로 계산했다.Statkraft는 2009년 11월 24일 노르웨이의[15] Mette-Marit 공주에 의해 문을 연 오슬로 피오르드에 세계 최초의 시제품 PRO 발전소를 건설했습니다.그것은 삼투압으로 5년 안에 작은 마을을 밝히고 난방할 수 있는 충분한 전기를 생산하는 것을 목표로 했다.처음에는 큰 전기 주전자를 데울 수 있을 정도로 미미한 4kW를 생산했지만 2015년에는 25메가와트라는 목표를 세워 소형 풍력 [16]발전소와 같았다.그러나 2014년 1월 Statkraft는 이 [17]파일럿을 계속하지 않겠다고 발표했다.Statkraft는 기존 기술로는 염분 구배가 경제적이기에 충분히 높지 않다는 것을 발견했고, 다른 연구들도 이에 [18]동의했다.지열 브라인과 담수화 플랜트 [19]브라인에서 더 높은 염분 구배를 찾을 수 있으며, 덴마크 회사인 SaltPower는 현재 염분 브라인으로 최초의 상업용 플랜트를 건설하고 있습니다.[20] 압력지체 삼투압을 스탠드아론 기술이 [21]아닌 역삼투압의 동작모드로 통합하는 것이 더 가능성이 있습니다.

역전기 투석

네덜란드 Afsluitdijk의 RED-type

개발 및 연구 중인 두 번째 방법은 역전기투석 또는 역투석이며, 이는 본질적으로 염전지의 생성이다.이 방법은 와인스타인과 레이츠에 의해 "일련의 음이온과 양이온 교환막을 사용하여 강과 바닷물의 자유 에너지로부터 전력을 생산할 수 있다"고 묘사되었다.

이 원리가 1950년대에 발견되었음에도 불구하고, 이러한 종류의 전력과 관련된 기술은 아직 초기 단계에 있다.염분 구배를 이용할 수 있는 모든 방법에 대한 표준과 완전한 이해는 이 청정에너지원을 미래에 더 실현하기 위해 노력해야 할 중요한 목표입니다.

용량법

세 번째 방법은 Doriano Brogioli의 정전식[7] 방법입니다.이것은 비교적 새로운 것으로, 지금까지 연구실 규모에서만 테스트되고 있습니다.이 방법을 사용하면 식염수와 접촉하는 전극을 주기적으로 충전한 후 담수로 방출함으로써 식염수와 담수의 혼합에서 에너지를 추출할 수 있다.충전공정에서 필요한 전기에너지의 양은 방전공정에서 배출되는 양보다 적기 때문에 완료된 사이클마다 효과적으로 에너지를 생산한다.이 효과에 대한 직관적인 설명은 염수 중의 많은 이온이 전극 표면에 매우 가까운 반대 전하의 얇은 층을 형성함으로써 각 전극의 전하를 효율적으로 중화시킨다는 것입니다. 즉, 전기 이중층이라고 알려져 있습니다.따라서 충전 단계 동안 전극 위의 전압이 낮은 상태로 유지되고 충전이 비교적 용이합니다.충방전공정 사이에 전극을 담수에 접촉시킨다.그 후 각 전극의 전하를 중화시킬 수 있는 이온이 적어지고 전극의 전압이 높아진다.따라서 이어지는 방전 단계는 상대적으로 많은 양의 에너지를 전달할 수 있습니다.물리적인 설명은 하전 캐패시터에서는 전극상의 전하와 액체중의 이온 전하 사이에 서로 끌어당기는 전기력이 존재한다는 것입니다.대전된 전극에서 이온을 끌어내기 위해서는 삼투압이 작용해야 합니다.이 작업은 캐패시터 내의 전위 에너지를 증가시킵니다.전자적인 설명은 정전용량이 이온 밀도의 함수라는 것입니다.염도 구배를 도입하여 일부 이온이 캐패시터 밖으로 확산되도록 함으로써 캐패시턴스를 감소시킬 수 있습니다.따라서 전압은 커패시턴스에 대한 전하 비율과 같기 때문에 커패시턴스가 증가해야 합니다.

증기압력차 : 개방사이클과 흡수냉동사이클(폐쇄사이클)

두 방법 모두 막에 의존하지 않기 때문에 여과 요건은 PRO & RED 방식만큼 중요하지 않습니다.

오픈 사이클

해양 열 에너지 변환(OTEC)의 오픈 사이클과 유사합니다.이 사이클의 단점은 염도가 낮은 물과 염도가 높은 물 사이의 동력을 추출하기 위해 대기압 이하에서 작동하는 대직경 터빈(75m +)의 번거로운 문제이다.

흡수 냉동 사이클(폐쇄 사이클)

공기 제습의 목적으로 삼투압을 매개로 수증기를 조해성 소금물 혼합물에 용해시킨다.1차 전원은 열역학 열엔진 사이클의 일부로서 열차이에서 발생합니다.

태양연못

뉴멕시코의 에디 포타시 광산에서는 광산에 필요한 에너지를 공급하기 위해 "염분 구배 태양전지"라고 불리는 기술이 사용되고 있다.이 방법은 삼투압 전력을 이용하지 않고 태양광만 이용합니다(태양연못 참조).소금물 연못 바닥에 도달한 햇빛은 열로 흡수된다."열이 상승"하는 자연 대류의 영향은 열을 가두기 위해 연못을 구성하는 세 층 사이의 밀도 차이를 사용하여 차단됩니다.상부 대류 구역은 최상부 구역이며, 그 다음 안정적인 경사 구역, 그 다음 하단 열 구역입니다.안정적인 구배대가 가장 중요합니다.이 층의 소금물은 염도가 낮기 때문에 더 높은 지대로 올라갈 수 없으며, 따라서 더 밀도가 낮고 더 부력이 강하기 때문에 더 낮은 지대로 가라앉을 수 없습니다.안정적인 경사 구역인 이 중간 구역은 사실상 하부 층의 "절연체"가 됩니다(물도 절연체가 부족하기 때문에 자연 대류를 차단하는 것이 주 목적입니다).저층인 저장 구역의 이 물은 펌프로 퍼내고 열을 사용하여 에너지를 생산합니다. 보통 유기 랭킨 [22]사이클의 터빈에 의해 사용됩니다.

이론적으로 태양 열로부터의 증발이 염도 구배를 만들기 위해 사용된다면 태양 연못은 삼투압 전력을 생성하기 위해 사용될 수 있고, 이 염도 구배에서의 위치 에너지는 용량법과 같은 위의 첫 세 가지 방법 중 하나를 사용하여 직접적으로 이용된다.

질화 붕소 나노튜브

한 연구팀은 Statkraft 프로토타입보다 훨씬 더 큰 힘을 내는 질화붕소를 사용하여 실험 시스템을 구축했습니다.그것은 수십 나노미터의 외경을 가진 하나의 질화붕소 나노튜브로 뚫린 불투과성 전기 절연막을 사용했다.이 막이 소금물 저장소와 담수 저장소를 분리하면서 연구팀은 나노튜브의 양쪽에 있는 유체에 담근 두 개의 전극을 사용하여 막을 통과하는 전류를 측정했다.

그 결과 이 장치는 나노암페어 정도의 전류를 발생시킬 수 있었다.연구원들은 이것이 삼투압 에너지를 수확하는 다른 알려진 기술의 1,000배이며, 질화붕소 나노튜브를 사용 가능한 전력에 대한 염도 구배의 에너지를 수확하는 데 매우 효율적인 해결책으로 만든다고 주장한다.

연구팀은 1평방미터(11평방피트)의 막이 약 4kW를 발생시킬 수 있으며 연간 [23]최대 30MWh를 발생시킬 수 있다고 주장했다.

2019년 재료연구학회 가을 회의에서 럿거스 대학 팀은 [24][25]1입방센티미터당 약 1000만 BNNT를 포함하는 막을 만들었다고 보고했다.

염도가 낮은 용액에서 고용액 중탄산암모늄을 재생하여 저칼로리 폐에너지 사용

펜실베니아 주립대에서 로건 박사는 중탄산 암모늄이 따뜻한 물에서 NH와2 CO로 분해되어3 차가운 물에서 다시 중탄산 암모늄을 형성한다는 사실을 이용하여 열량이 낮은 폐열을 사용하려고 합니다.따라서 RED 에너지 생산 폐쇄 시스템에서는 두 가지 다른 염분 구배가 유지됩니다.[26]

환경에 대한 악영향 가능성

해양과 하천의 환경은 수질, 즉 염도에 분명한 차이가 있다.수생 식물과 동물의 각 종은 해양, 기수 또는 담수 환경에서 생존하도록 적응되어 있다.둘 다 견딜 수 있는 종들이 있지만, 이 종들은 보통 특정한 물 환경에서 가장 잘 자랍니다.염분 구배 기술의 주요 폐기물은 기수이다.많은 양의 염수를 정기적으로 주변 수역으로 방출할 경우 염도 변동을 일으킬 수 있다.염도의 일부 변화는 보통이지만, 특히 담수(강수)가 바다나 바다로 유출되는 경우에는 기수성 폐수가 추가됨에 따라 이러한 변화는 두 수역 모두에서 덜 중요해진다.수생 환경에서 염도가 극단적으로 변화하면 갑작스럽게 심각한 염도 저하나 [27]급상승에 대한 내성으로 인해 동식물의 밀도가 낮은 것으로 판명될 수 있다.일반적인 환경주의자들의 의견에 따르면, 이러한 부정적인 영향의 가능성은 미래의 대형 블루 에너지 시설의 운영자들에 의해 고려되어야 한다.

기수가 생태계에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 것은 기수를 바다로 퍼낸 뒤 지표면과 바닥 생태계에서 떨어져 중간층으로 방출하는 것이다.

PRO 및 RED 체계에서 사용되는 대량의 강물과 바닷물 때문에 취수 구조물에서의 침해와 교류가 우려된다.취수 건설 허가는 엄격한 환경 규정을 충족해야 하며 지표수를 이용하는 담수화 플랜트와 발전소는 18개월 이상 걸릴 수 있는 허가를 받기 위해 다양한 지역, 주 및 연방 기관과 관련되기도 한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크